Achtergrond: waterstof toekomstmuziek af

Brandstofcel, fuel cell, waterstof: al vele jaren flirten meerdere autofabrikanten met de mogelijkheid, maar al bijna net zo lang lijkt het verschijnsel het stadium van toekomstmuziek niet te kunnen ontstijgen. Bijna, want de laatste paar jaar zit er beweging in. Hyundai en Toyota hebben inmiddels daadwerkelijk auto's de weg op gestuurd die door een brandstofcel worden gevoed, maar ook andere branches zijn hard bezig de mogelijkheden van deze schone energiebron te onderzoeken. We rijden een rondje Duitsland en Denemarken om enkele initiatieven te bekijken en dat doen we, hoe toepasselijk, geheel CO2-neutraal, met een Toyota Mirai.
Het loopt tegen het eind van de ochtend wanneer we op het vliegveld van Hannover de sleutel van onze Mirai overhandigd krijgen. Enige ironie is op zijn plaats: om drie dagen volledig emissievrij rond te rijden, hebben we het pokkeneindje Schiphol-Hannover per vliegtuig afgelegd. Enfin, dat gaan we vanaf nu goedmaken. Al was het maar om te leren dat zelfs vliegen op waterstof tot de mogelijkheden behoort.

Enige ironie is op zijn plaats: om drie dagen volledig emissievrij rond te rijden, hebben we het pokkeneindje Schiphol-Hannover per vliegtuig afgelegd

Airbus
Nog meer dan bij auto's lijkt waterstofaandrijving toekomstmuziek voor de luchtvaart. Toch wordt ook daar al hard nagedacht over vliegtuigen met brandstofcel. In Hamburg bezoeken we ZAL, het Centre of Applies Aeronautical Research, een onderzoekslaboratorium waaronder meer Airbus werkt aan technieken voor de toekomst. In deze tak van sport is ver vooruit denken nog veel belangrijker dan bij auto's, legt brandstofcelspecialist Jörg Tappermann van Airbus uit: "Dat heeft vooral te maken van de lifecycle van commerciële vliegtuigen. Voordat een toestel productierijp is, zijn er tien tot vijftien jaar ontwikkeling aan vooraf gegaan. Vervolgens is zo'n vliegtuigmodel twintig tot dertig jaar in productie. De allerlaatst geproduceerde toestellen gaan dan nog eens twintig à dertig jaar mee als passagiersvliegtuig en daarna worden ze nog tien tot twintig jaar ingezet als vrachtvliegtuig. Dat betekent dat de besluiten die je nu neemt, zestig tot 95 jaar relevant zijn in het dagelijkse luchtverkeer. Des te belangrijker voor ons dus om nu al serieus na te denken over waterstofaandrijving. Maar zoiets verandert het hele concept van vliegtuigen volledig, dus moeten we wel een go hebben van de grote afnemers, voordat we aan concrete toestellen beginnen." Tappermann schetst met woorden het vliegtuig van de toekomst: "Nu zit de brandstof in de vleugels, maar daar zit te weinig volume in om voldoende waterstof op te slaan. Aan de vorm kunnen we niet tornen, die wordt volledig gedicteerd door de aerodynamica, dus moet de waterstof in de romp. Dat betekent wel dat die breder zal worden." Toch kan hij al wel wat tastbaars laten zien. Op een testbank staat een ingewikkeld stuk machinerie dat nog het meest weg heeft van een forse versnellingsbak. "Dit is een werkend prototype van een APU (Auxilairy Power Unit, red.), een aggregaat om alle randsystemen van een vliegtuig aan te drijven. Deze kunnen we vanaf 2027 produceren. Los van de ecologische voordelen ten opzichte van de huidige APU's mag deze ook stilstaand op alle vliegvelden blijven draaien, is hij veel stiller en veel onderhoudsvriendelijker." Ook een hoofdmotor op waterstof heeft Airbus al op de tekentafel staan, maar daar is nog geen werkend prototype van.

Olympische Spelen
Dat we onze rondreis in een waterstofauto maken, is redelijk bijzonder. Wereldwijd rijden er op dit moment iets meer dan 7.100 stuks rond, waarvan 60 procent in de Verenigde Staten en een kwart in Japan. Toyota neemt daar de ruime meerderheid van voor zijn rekening, met 5.500 Mirai's, waarvan 250 in Europa. Ok dit jaar moeten er weer meer dan 500 Mirai's worden verkocht, maar de grote doorbraak staat gepland voor 2020. Toyota grijpt de Olympische Spelen in Tokyo aan om de tweede generatie te lanceren en tegen die tijd moeten er 30.000 waterstofauto's per jaar van de band rollen.

Toyota grijpt de Olypische Spelen van 2020 aan om de volgende Mirai te lanceren

De Duitse autobahn lijkt nauwelijks de habitat voor een FCEV, maar lange afstanden cruisen in de Mirai blijkt een erg prettige bezigheid. Natuurlijk, ook waterstof moet benzine of diesel nog boven zich dulden als het over reikwijdte gaat, maar mits je de trip goed plant, kun je met weinig oponthoud aardig doorhalen. De Mirai heeft een begrensde top van 178 km/h (op de teller weten we hem op 184 te klokken) en dat is ruim voldoende om goed mee te komen hier. Maar we rijden zo tussen de 130 en 140 km/h en dan moet in de praktijk een ruime 400 km haalbaar zijn. Op dit moment telt Duitsland veertig pompstations, maar dat aantal moet de komende tijd drastisch omhoog, horen we tijdens onze volgende stop.

Samenwerken
Ook bij Shell, dat wij toch vooral kennen van de fossiele brandstoffen, wordt hard nagedacht over waterstof, zo leggen ze ons uit tijdens een bezoek aan het Duitse hoofdkantoor in Hamburg. In een onderzoeksrapport, vorig jaar opgesteld in samenwerking met het Wuppertal Institute for Climate, Environment and Energy, concludeert Shell dat in 2050 113 miljoen waterstofauto's 68 miljoen ton fossiele brandstof en 200 miljoen ton CO2 moeten kunnen besparen. "Om van waterstof een succes te maken, is een goede samenwerking cruciaal," legt scheidend topman van Shell Duitsland Stijn van Els uit. "De autofabrikanten moeten de ontwikkeling van brandstofcelauto's doorzetten, overheden moeten de keuze voor waterstof stimuleren en wij, de energiebranche, moeten investeren in infrastructuur en zogen dat waterstof tegen een concurrerende prijs wordt gefabriceerd."
De 40 tankstations in Duitsland moeten er op korte termijn 400 worden als het aan Shell ligt en daarvoor is 350 miljoen euro gereserveerd.

Wanneer je op de knop drukt, piest de Mirai als een hondje zijn uitlaatpijp leeg

Windmolenpark
Met een volle tank vervolgen we onze reis in noordelijke richting om bij Flensburg Denemarken in te duiken. Onze bestemming is Kopenhagen, waar we energieprovider Energinet krijgen uitgelegd hoe die enorme hoeveelheden H2 straks duurzaam geproduceerd kunnen worden. Zo denken ze samen met onder meer GasUnie en het Rotterdamse Havenbedrijf na over een enorm windmolenpark op de Noordzee, met in het midden een kunstmatig eiland waar we windenergie wordt opgeslagen als waterstof en zo via een pijpleiding naar Denemarken, Nederland en Engeland wordt getransporteerd.

Druppelen
Dat brengt ons terug naar de kern van waterstof. Je splitst H2O, gewoon water dus, op in H2 (waterstof) en O2 (zuurstof). Daarvoor is elektrische energie nodig, die je bijvoorbeeld uit een windmolen of zonnepaneel betrekt. De geproduceerde waterstof wordt in de auto door de brandstofcel met zuurstof uit de lucht weer teruggebracht tot water, waarbij elektriciteit vrijkomt die de elektromotoren aandrijven. Je hoeft niet heel goed te hebben opgelet bij scheikunde om dan te kunnen doorredeneren wat er uit de uitlaat van de Mirai komt. Inderdaad, als je achter een andere Mirai rijdt, zie je er af en toe wat water onderuit druppelen. En om te voorkomen dat je auto je garage bevochtigt, heeft de Mirai een knopje waarmee je de uitlaat kunt droogblazen. Wanneer je dat doet, piest hij. Dat deze knop de hondenuitlaatknop is gaan heten tijdens onze roadtrip, behoeft waarschijnlijk geen uitleg.

Extreem hoge druk
Het tanken van waterstof is voor wie wel eens op LPG of CNG heeft gereden in grote lijnen een feest van herkenning. Je zet het vulpistool op de nippel, vergrendelt het en de overdruk in het systeem van het pompstation zorgt dat je tank volstroomt. Maar ondertussen heeft de tijd niet stilgezeten, want wat je alleen maar door de zoeker van je digitale camera ziet, is dat de auto via infrarood met de pomp communiceert. Dat zorgt er onder meer voor dat het tanken pas begint wanneer alles veilig is. Op zich is het volgooien van een waterstofauto zo gepiept, maar in dit prille stadium zijn er nog wel wat hobbels te nemen. Door het beperkte aantal FCEV's is het nog niet bepaald in de rij staan bij de pomp. Normaal gesproken tenminste, maar omdat wij met een aantal Mirai's aan deze roadtrip deelnemen, is het bij de tankstations die wij bezoeken steeds ineens wél druk. En druk, dat is wat je nodig hebt om een waterstofauto te vullen. Niet zo'n beetje ook. Om een fatsoenlijke reikwijdte te krijgen zonder al te veel volume kwijt te zijn staan de beide tanks van een volle Mirai op 350 bar. Wil je dat binnen een acceptabele tijdspanne vullen, moet de pomp zo'n 700 bar leveren. De huidige pompstations, die technisch nog niet zijn ingericht om aan de lopende band klanten te bedienen, hebben na enkele tankbeurten zo veel druk verloren dat we, wanneer we niet tot de eersten behoren, bijna een half uur moeten wachten voordat de druk weer voldoende hersteld is om onze reikwijdte weer te resetten tot de gewenste waarde. Let wel: dit hoort bij pionieren. Tegen de tijd dat auto's met brandstofcel gemeengoed zijn, zal dit probleem uiteraard verholpen zijn en is waterstof tanken net zo gemakkelijk als LPG.

H2
Waterstof is het eenvoudigste en eerste element in het zogenaamde periodieke stelsel en daarom het kleinste en lichtste atoom. Pure waterstof komt op onze planeet alleen voor als molecuul, H2. Meestal vinden we waterstof in verbindingen, waarvan H2O, water, de bekendste is. Door zijn typische kenmerken komt waterstof bijna uitsluitend voor in gasvorm. Het heeft een extreem laag kookpunt, -252,76 graden Celcius om precies te zijn en dat ligt dicht bij het absolute nulpunt (-273,15 graden Celcius). Boven dat kookpunt is het dus gasvormig (bij normale luchtdruk). Dit is een hindernis bij het opslaan van waterstof. Normaal gesproken worden gassen door het opvoeren van de druk vloeibaar gemaakt, maar dat kan alleen onder de zogenaamde kritische temperatuur. Daarboven kun je de druk opvoeren zo veel je wilt, maar blijft het gas. Voor waterstof is die kritische temperatuur -239,96 graden. Vanwege de extreem lage dichtheid is het praktisch noodzakelijk om waterstof onder hoge druk op te slaan.
Voor onze tak van sport de belangrijkste eigenschap van waterstof is zijn uitstekende brandbaarheid. Bij de verbranding komt weinig hitte, maar veel UV-straling. Daardoor is de vlam bij daglicht amper zichtbaar. De verbranding is relatief onafhankelijk van de concentratie: alles tussen de 4 en 77 volumeprocent volstaat en dat maakt waterstof veel 'toleranter' dan andere gasvormige brandstoffen die we nu gebruiken.

Dit verhaal verscheen eerder in AutoWeek 29/2018